1.2. La radioactividad en el medio ambiente
1.2.1. Radioactividad natural
Se define como radioactividad natural a aquella radiación procedente de fuentes naturales ajenas a la actividad humana, que como se ha mencionado
13% 8% 20% 1% 43% 15%
Rayos cósmicos (exposición natural externa)
Agua y alimentos Exposición médica Otras fuentes artificiales Radón (exposición natural interna)
Radiación gamma terrestre (exposición natural externa)
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anteriormente, son las que más contribuyen a la exposición recibida por el hombre, y de aquí la importancia de su estudio.
Siempre hemos estado expuestos a radiaciones de baja intensidad, provenientes del sol y del espacio interestelar, de la corteza terrestre y de los diferentes compartimentos del ambiente. A esta radiación que proviene de diferentes fuentes naturales, se la conoce como radiación natural o de fondo y se divide básicamente en:
a) Radiación cósmica. Es aquella proveniente del espacio exterior fuera de nuestro sistema solar (protones, partículas alfa, neutrones). Es radiación de alta energía (2000 MeV), con una capacidad de penetración hasta más de 1 kilómetro bajo la superficie de la tierra.
b) Radionúclidos cosmogénicos. Son aquellos formados por la interacción entre la radiación cósmica y nuestra atmósfera y las aguas naturales, llegando a formar del orden de 12 radionúclidos donde los más importantes son el 14C, 7Be, 10Be, 22Na y 3H.
c) Radiación terrestre. Es aquella proveniente de los elementos radiactivos presentes en las aguas y corteza terrestre desde la formación del planeta (series o familias radiactivas del 238U, 232Th y 228Ac). Cabe destacar que todos ellos tienen un período de semidesintegración mayor a 100 millones de años por lo que son llamados primordiales.
Otra fuente importante de radiación natural es la exposición debida a los productos de decaimiento de las series radiactivas como la del 238U, que tiene entre sus “hijos” radiactivos al 226Ra y al 222Rn, éste último por ser un gas está permanentemente emanando de la corteza terrestre y de los materiales de construcción de nuestros hogares y edificios.
En resumen, dependiendo de la latitud, altitud y composición del terreno donde se realice la medición, podemos encontrar diferentes niveles de radiación natural los que forman la “radiación de fondo” que es particular para cada zona [5,10].
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1.2.2. Radioactividad artificial
La exposición humana a la radiación proviene también de fuentes artificiales que van desde la generación de energía nuclear hasta el uso médico de la radiación para fines de diagnóstico o terapéuticos.
Entre los radionúclidos artificiales más habituales en el medio ambiente, se encuentran el plutonio y sus productos de fisión (239Pu, 240Pu, 241Pu, 242Pu) con períodos de semidesintegración muy largos, que provienen de la lluvia radiactiva producida por los ensayos nucleares efectuados en la década de los años 60 y de algunos accidentes ocurridos en centrales nucleares. Ambos hechos han provocado también la presencia de radionúclidos de vida media relativamente corta como es el caso del 90Sr.
Entre los radionúclidos artificiales más peligrosos, caben destacar algunos transuránidos que se continúan vertiendo en las aguas como resultado de descargas autorizadas de residuos de baja actividad. El conocimiento de su comportamiento en dicho medio es de gran importancia ya que muchos de estos radionúclidos, fundamentalmente emisores alfa, tienen períodos de semidesintegración muy largos que hacen que permanezcan en el medio ambiente durante varias generaciones.
Evidentemente, toda esta actividad supone un incremento de los niveles ambientales de radioactividad. Sin embargo, el Comité Científico de las Naciones Unidas para el Estudio de los Efectos de las Radiaciones Atómicas (UNSCEAR, por sus siglas en inglés) evalúa que la mayor proporción de las dosis individuales de cualquier origen, la representan las radiaciones naturales y la utilización de rayos X en medicina. La contribución debida a los efluentes y a los residuos radiactivos de baja y media actividad procedentes del ciclo de combustible nuclear resulta despreciable (0,1%) en comparación con las dosis recibidas por las fuentes naturales o por los usos en medicina [2].
Así, la medicina nuclear desempeña un papel fundamental como fuente artificial de producción de radionúclidos, debido al uso para suministrarse en los pacientes como agentes de diagnóstico o de terapia. Los radionúclidos utilizados en este campo, deben de reunir las propiedades químicas específicas que permitan interactuar de forma bioquímica dentro del organismo humano y contribuir con el propósito médico, como es el caso del yodo, cuyos isótopos 131I
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y 123I se aplican a pacientes para el tratamiento de la glándula tiroides, y el Tc, cuyo isótopo 99mTc al ser un emisor gamma de corta vida media (6 h), es ideal para tratamientos de diagnóstico. Sin embargo, todas estas técnicas nucleares médicas generan una gran cantidad de descargas o residuos de tipo radioactivo. Aunque una gran variedad de radionúclidos antropogénicos se han encontrado en los desechos radiofarmacéuticos, los más importantes en lo que respecta a su impacto ambiental son el 99Tc y el 131I [11].
1.2.3. Radionúclidos estudiados
Uranio
El uranio es un elemento que se caracteriza por tener el mayor peso atómico de entre todos los elementos que se encuentran en la naturaleza. Puede encontrarse en el ambiente en su estado de oxidación reducido U(IV) de menor movilidad o como U(VI), más soluble y móvil.
El uranio es un elemento radiactivo natural, emisor alfa, ampliamente distribuido en la corteza terrestre. Pertenece al grupo de los actínidos con 22 isótopos conocidos, de los cuales sólo 3 ocurren de manera natural: 234U, 235U y 238U, siendo el más abundante el 238U que constituye cerca del 99% del uranio natural en masa (Tabla 1.2). Un gramo de uranio natural tiene una actividad de 0,67 μCi, de los cuales el 48,9% de la actividad es atribuible al 234U, 2,27% al 235U, y el 48,7% de la actividad corresponde al 238U.
La determinación de bajas concentraciones de uranio en muestras ambientales, geológicas y biológicas es muy importante en campos como la industria nuclear, gestión de residuos radioactivos, salud, geología, geocronología y ciencias ambientales.
En la corteza terrestre, se encuentra en una concentración promedio de 4 µg g-1 y está presente a nivel de trazas en una gran variedad de minerales y rocas sedimentarias (0,5 – 4,7 mg L-1). Su concentración en el agua de mar se encuentra alrededor de los 3 µg L-1 y se distribuye uniformemente en todos los océanos del mundo. En aguas superficiales (ríos y lagos), la concentración promedio es de 0,5 µg L-1, y en aguas subterráneas es baja (<0,001 µg L-1). La
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minería del uranio y las instalaciones donde se realizan los procesos asociados a las diferentes etapas del ciclo del combustible nuclear son fuentes potenciales de emisión de este elemento al medio ambiente [12,13].
Tabla 1.2. Características de los isótopos de uranio.
Radionúclido Semivida (años) Masa relativa (%)
238U 4,47×109 99,3
235U 7,04×108 0,72
234U 2,46×105 0,006
Las actividades humanas como la extracción y el tratamiento de uranio, el uso de armas nucleares y la fabricación de combustible nuclear, así como el uso de catalizadores, pigmentos de coloración, la quema de combustibles fósiles (petróleo y carbón) y la fabricación y el uso de fertilizantes de fosfato que contienen uranio, han ocasionado la contaminación generalizada del medio ambiente.
La gestión de los residuos producto de la actividad antropogénica, ha sido una preocupación en muchos países, debido a la observación de que el uranio presente en el suelo puede ser transferido al agua, plantas, alimentos, suplementos alimenticios y fertilizantes afectando seriamente a los seres humanos, ya que existen estudios que muestran que los alimentos contribuyen con alrededor del 15% del uranio ingerido, mientras que el agua representa alrededor del 85% [12].
Desde que el grado de peligro reside en el tipo de radiación, cantidad y duración de la exposición, las personas que viven cerca de minas, las que trabajan en la industria del fosfato, las que comen cultivos que crecieron en suelo contaminado o las que beben agua de un lugar de vertido de uranio pueden experimentar una exposición más elevada que otras personas.
A los niveles encontrados en la naturaleza, el uranio no presenta efectos sobre la salud. Sin embargo, se pueden dar efectos después de la toma de grandes cantidades de uranio, provocando enfermedades del hígado. El
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envenenamiento por uranio se caracteriza por una degradación de la salud generalizada.
El uranio tiene toxicidad tanto química como radiológica. En el cuerpo humano, el uranio tiende a concentrarse en lugares específicos afectando el funcionamiento normal del riñón, cerebro, hígado y corazón. Los efectos radiológicos son generalmente locales ya que la radiación alfa, la principal forma de descomposición del 238U, tiene un alcance muy corto ocasionando el riesgo de cáncer de huesos, cáncer de hígado, y enfermedades de la sangre. El mayor riesgo para la salud causado por la toxicidad del uranio es la probabilidad de daño a la estructura de los riñones, que pueden ocasionar insuficiencia renal aguda [12].
Radio
El radio fue descubierto en Francia en el año 1898, por el matrimonio Curie y su colaborador M.G. Bémont, mientras trataban los residuos obtenidos de una variedad de uranita (pechblenda) del norte de Bohemia [14]. El Ra se encuentra en la naturaleza, principalmente en minerales de uranio, rocas, suelo y en algunas aguas minerales y subterráneas. Se le conocen 13 isótopos todos ellos radiactivos. Cuatro de ellos se encuentran en la naturaleza (223Ra, 224Ra, 226Ra y 228Ra) y se forman a partir de las series naturales del uranio 238U, 235U y 232Th, el resto se produce artificialmente.
Entre todos los isótopos del Ra, cabe destacar el 226Ra, emisor alfa y gamma, por su largo período de semidesintegración (t1/2=1600 ± 7 años) y su
amplia distribución en el medio ambiente, razón por la que se le considera uno de los mayores contribuyentes a la dosis interna de la población [15].
El radio se ha encontrado en muy pequeñas cantidades en el suelo, el agua, las rocas, el carbón, las plantas y en los alimentos. Una cantidad típica es un picogramo de radio por gramo de suelo o roca. Los niveles de radio en el agua potable son generalmente menores a un picocurie por litro de agua, aunque se han encontrado niveles más altos (más de 5 picocuries por litro). Los niveles más altos de exposición al radio se encuentran en las minas de uranio y en las plantas de procesamiento de las minas [16].
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El radio y sus compuestos tienen usos relativamente limitados. De hecho, no más de alrededor de dos kilos de radio se extraen cada año y se destinan a uso médico como una fuente de radiación para el tratamiento de enfermedades neoplásicas, o como una fuente de radón en radiografías de metales, y como fuente de neutrones para la investigación.
Hasta los años 60, el radio era un componente de las pinturas luminosas utilizadas como resaltador de las manecillas y números de relojes, paneles de instrumentos en los aviones, instrumentos militares y brújulas. Durante los primeros años de este siglo, el radio fue utilizado en pociones con supuestas propiedades curativas. Esta práctica se interrumpió a principios de la década de 1930 [16].
Como resultado de diversas actividades antropogénicas (quema de carbón y combustibles, fabricación de pinturas luminosas, usos médicos, etc.) una gran cantidad de residuos y subproductos de la industria de fosfatos, minería, extracción de gas y de carbón han incrementado los actuales niveles de 226Ra en el medio ambiente, haciéndose necesario el desarrollo de metodologías analíticas que permitan determinar de manera sencilla y eficiente su contenido a niveles medio ambientales [17].
Estroncio
El estroncio es un elemento natural estable (84Sr, 86Sr, 87Sr y 88Sr) que ocurre comúnmente en el ambiente. Puede existir en dos estados de oxidación (0 y +2) bajo condiciones ambientales normales, siendo el estado de oxidación +2 el más importante para la industria.
El Sr también presenta isótopos radiactivos (82Sr, 83Sr, 85Sr, 89Sr y 90Sr), siendo los más significativos en el medio ambiente el 89Sr (t1/2 = 50 días) y el 90Sr (t1/2 = 28.9 años), ya que ambos son productos de fisión con periodos de
semidesintegración más prolongados que los de los otros radioisótopos [18]. El 90Sr se forma en reactores nucleares o durante la detonación de armas de la misma denominación. La relevancia ambiental del 90Sr radica en la elevada eficiencia de generación en los procesos de fisión, en su periodo de semidesintegración, en su rápido paso a la biosfera por su elevada solubilidad y
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en la similitud química entre el Sr+2 y el Ca+2 [19,20]. Debido a esta última, uno de los efectos fundamentales es la incorporación del estroncio al sistema óseo debido a su semejanza química con el calcio.
El estroncio estable y sus compuestos han sido objeto de un gran número de investigaciones. En medicina, el estudio del estroncio se aplica en el tratamiento de los huesos y defectos óseos [21]. Las proporciones de isótopos del estroncio estable permiten, en arqueología, conocer la edad de las rocas, y el estudio de antiguas civilizaciones [22,23]. En la ciencia forense, permite determinar la posible región de donde proviene algún individuo, analizando sus huesos. Esta tarea ayuda a identificar patrones de antiguas migraciones, así como el origen de restos humanos en cementerios de batallas [24,25]. En la industria, las sales volátiles de estroncio se usan en pirotecnia; el carbonato de estroncio se utiliza en la fabricación de cerámica y productos de vidrio; el cromato de estroncio se usa en pigmentos (amarillos) de pinturas; el fosfato de estroncio en las luces fluorescentes, tubos de TV y monitores de computadoras (CRTs), entre otros [26].
El 90Sr tiene un uso limitado en la industria para el control de calidad en cuestiones de grosor y densidad de materiales [27]. También se usa en los generadores termoeléctricos de radioisótopos en lugares remotos, como es el caso de los faros extendidos a lo largo de la antigua Unión Soviética [28,29]. En medicina es utilizado en radioterapia, para dar atención a pacientes con problemas de pterigión (crecimiento anormal de tejido sobre la córnea) [30].
La principal fuente de estroncio radiactivo en el medio ambiente han sido las pruebas atmosféricas de armas nucleares, lo que ha dado lugar a la posterior deposición de los radionúclidos, la cual es conocida como precipitación mundial [18]. Otras fuentes que se conocen como secundarias han sido la liberación de estroncio a partir del ciclo del combustible nuclear y las pruebas nucleares las cuales han contribuido a aumentar el fondo radioactivo. También los accidentes nucleares han sido partícipes del aumento de la radiactividad ambiental [31,32]. En cuestiones de salubridad, las emisiones beta del 90Sr tienen una capacidad limitada para penetrar a través del tejido. Por esa razón, para que existan efectos adversos sobre la salud, el estroncio radiactivo debe ser internalizado o puesto en contacto con la piel. Por lo tanto, existe un mayor riesgo en la exposición oral y en la inhalación, pues una vez que se adentra en el
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organismo, el comportamiento de “captación ósea” del estroncio es el que constituye la principal preocupación. En particular, el 90Sr afecta las células óseas, la médula hematopoyética, y potencialmente los tejidos blandos que rodean los huesos especialmente en el cráneo, debido a su periodo de semidesintegración, sus emisiones beta, y además aporta las emisiones beta del 90Y, su producto de desintegración.
Las poblaciones humanas expuestas accidentalmente a altos niveles de radiación de estroncio han experimentado enfermedades por radiación crónica como el aumento de la leucemia y mortalidad por cáncer en las décadas posteriores a la exposición. En estudios con animales, el alto nivel de 90Sr les ocasionó la muerte en semanas debido a los daños por radiación a los tejidos hematopoyéticos. A largo plazo, los bajos niveles de exposición que superan los mecanismos de reparación genética, pueden conducir a la leucemia mieloide, el osteosarcoma y el linfoma [28].
Tecnecio
El Tc es el primer elemento obtenido de forma artificial, por lo que su nombre proviene de la palabra griega "technikos" que significa "artificial". Se trata de un metal de transición radioactivo.
Hasta el momento se han sintetizado 45 isótopos de Tc, que van desde 85Tc a 117Tc, y la mayoría de ellos son de cortos periodos de semidesintegración (menos de 1 h). De éstos, el 97Tc (t1/2 = 2,6 × 106 años), 98Tc (t1/2= 4,2 × 106 años) y 99Tc (t1/2= 2,1 × 105 años) son los de larga duración. Tanto el 97Tc y 98Tc se forman principalmente en muy pequeñas cantidades en los procesos antropogénicos nucleares. Mientras que el 99Tc se produce con una abundancia relativamente alta entre los productos de fisión y como resultado de la activación de neutrones de 99Mo (Figura 1.3) [33,34].
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Figura 1.3. Esquema de desintegración del 99Mo.
Una gran cantidad de 99Tc se ha producido y liberado al medio ambiente de las instalaciones nucleares, lo que hace a este radionúclido ambientalmente importante. El interés por investigar la presencia de 99Tc en muestras ambientales resulta de ser un emisor beta negativo puro (con la energía de desintegración de 0,294 MeV) y tener un periodo de semidesintegración muy largo.
En cuanto a sus aplicaciones, es un elemento que debido a sus propiedades químicas, se usa en múltiples campos. En medicina nuclear, el 99mTc (isómero nuclear metaestable) se usa principalmente como marcador radiactivo para el diagnóstico de funcionamiento de órganos y como localizador de tumores [35,36]. En oceanografía, la alta solubilidad en agua de mar como TcO4-, hacen del 99Tc un excelente trazador para la investigación del movimiento, intercambio y circulación de las masas de agua [37].
El 99Tc también puede ser producido por la fisión espontánea de 238U y la fisión inducida por neutrones de 235U en la Tierra [38,39]. Además, puede producirse por reacciones de rayos cósmicos con Mo, Ru y Nb en la corteza terrestre. Se ha estimado que estos dos tipos de procesos han producido alrededor de 6 x 1016 Bq de 99Tc. En la actualidad, la mayor presencia de 99Tc es el resultado de las actividades antropogénicas como las pruebas con armas
99
Mo
t
1/2= 66,02 h
99mTc
t
1/2= 6,01 h
87,5% 99Tc
12,5%ß
-t
1/2= 2,1x 10
5años
99Ru
ß
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nucleares, el reprocesamiento de residuos de combustible nuclear, los accidentes nucleares, las centrales y la aplicación médica de 99mTc [40,41].
Debido a la débil absorción del pertecnetato de tecnecio (TcO4) en el medio ambiente, el Tc es considerado uno de los radionúclidos de mayor movilidad en la naturaleza.
El 99Tc representa un peligro para la salud, solamente cuando éste ingresa en el cuerpo humano; mientras que su exposición externa, no implica ningún peligro, ya que posee una desintegración beta a una muy baja energía sin radiación gamma. Para una exposición interna, la principal preocupación se centra en la posible inducción de cáncer proveniente de las partículas beta asociadas a su desintegración [42].
1.2.4 Normatividad
La puesta en marcha de la era nuclear y sus consecuentes accidentes, las pruebas con armas nucleares y en general toda actividad antropogénica, han contribuido al aumento de la contaminación radiológica ambiental y por ende del riesgo para la salud, al cual están expuestos los seres humanos.
Para realizar un control radiológico ambiental apropiado, es necesario e imprescindible conocer la radiación de fondo, es decir establecer niveles de referencia, los cuales indican los límites permisibles de un radionúclido en particular en diferentes muestras ambientales. Con base en esta información se tomarán las decisiones oportunas ante algún posible suceso catastrófico que represente un riesgo para la salud y el ambiente.
Existen diferentes niveles jerárquicos normativos que pretenden regular y salvaguardar la salud de las personas y el medioambiente. En materia radiológica existen normas internacionales y nacionales. Por ejemplo, la Organización Mundial de la Salud(OMS) establece como límite permisible para el agua de consumo humano la cantidad de 0,015 mg L-1 de uranio natural [43]. Además, en el documento “Guías para la calidad del agua” establece los niveles de referencia (NR) correspondientes a los radionúclidos presentes en el agua de consumo entre los cuales se encuentran el 226Ra, el 99Tc y el 90Sr (Tabla 1.3).
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La Agencia de Protección del Ambiente (EPA, por sus siglas en inglés) establece que los niveles de uranio y de estroncio mineral para el agua potable no deben exceder a los 0,03 mg L-1 y 4 mg L-1, respectivamente, y reglamenta de forma